材料的形变与再结晶no讲解

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1、第五章 材料的形变与再结晶,作为对力作用的响应,所有材料都会发生几何形状和尺寸的变化,这种现象称为变形. 如果除去载荷后材料恢复到原始形状、尺寸，这种变形称为弹性变形。相反，如果加载-卸载过程导致发生了永久变形，则称该试样产生了塑性变形。当构件或试样分裂成两段或更多段时就是发生了断裂。,外力即载荷，其形式如下：,材料的形变与再结晶,材料的拉伸试验,材料的形变与再结晶,软钢的应力-应变曲线,强度指标： e、s、b,塑性指标： （延伸率） （断面收缩率）,金属变形的三个阶段： 弹性变形、弹-塑性变形、断裂,条件应力-应变曲线,材料的形变与再结晶,e代表产生弹性变形的最大应力。 s 代表产生塑性变形

2、的最小应力。,工程上，残余应变量为0.005%所对应的应力值，定为e 工程上，残余应变量为0.2%所对应的应力值，定为0.2(条件屈服极限）。,材料的形变与再结晶,三种不同材料的应力-应变曲线 （陶瓷、金属、橡胶）,a.哪种材料的弹性模量最高? b.哪种材料的伸长率最大? c.哪种材料的韧性最高? d.哪种材料在断裂前没有呈现任何明显的塑性变形?,9-10,-曲线下方的面积可以度量使单位体积的材料断裂所需要的能量韧性。,第五章 材料的形变与再结晶,5.1 金属的弹性变形 5.2 晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对金属组织与性能的影响 5.3 回复和再

3、结晶 5.4 金属的热加工,主要内容,5.1 金属的弹性变形 5.1.1 弹性变形的实质,原子间存在两种力: 一是吸引力, 来源于异类电 荷间的静电吸引; 二是同种电荷之间的排斥力. 当原子间距为r0时, 吸引力与排斥力相等, 合力f=0, 此时位能E0处于最低位置, 两原子处于平衡位置。 E0原子的结合能 r0原子间距,双原子作用模型,弹性变形的实质,在晶体中，相邻原子间也应当有一个平衡距离。 原子处于平衡位置时，其原子间距为R0，合力为零，位能E0处于最低位置，这是最稳定的状态。,外力去除后，只剩下引力的作用，相邻原子间的距离将迅速复原，所产生的变形便完全消失，这就是弹性变形的实质。,当原

4、子受力后将偏离其平衡位置： 当外力为拉力时，金属晶体将沿外 力方向被拉长，原子间距沿外力方 向的距离增大： R0R，这时将 产生引力；,5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量, 弹性变形的主要特征是： （1）可逆性：加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。 （2）应力与应变之间存在线性关系，即服从虎克（Hooke） 定律： 在正应力下，= E ； 在切应力下，= G 式中： 、 分别为正应力和切应力； 、分别为正应变和切应变； E、G分别为弹性模量（杨氏模量）和切变模量。 （3）弹性变形量随材料的不同而异 多数金属材料：弹性变形量小（一般不超过0.5%）；而橡胶类高分子 材料的高弹形变量则可高达1

5、000%，但这种变形是非线性的。,弹性变形的特征和弹性模量, 弹性模量的物理意义,弹性模量是应力应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉 伸变形中通常称它为杨氏模量。,低应变区的应力应变关系,弹性变形的特征和弹性模量,弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。,即弹性模量相当于发生单位弹性变形所需的应力，换言 之，在给定应力下E大的材料只发生很小的弹性应变，而E小 的材料则弹性应变大。,从微观的角度看，晶体在外力作用下， 发生弹性变形对应着原子间距的变化 这种性质与弹簧很相似，故可把原子结合 比喻成很多小弹簧的连接。结合键能是影 响弹性模量的主要因素，结合键能越

6、大， 则“弹簧”越“硬”，原子之间距离的移动所 需的外力就越大，则弹性模量越大。,弹性变形的特征和弹性模量,以共价键或共价-离子混合键结合的大多数陶瓷，例如金刚石、氧化铝（Al2O3)等，由于其原子间结合力很大，故其弹性模量很高；分子键的固体如塑料、橡胶等的键合力很弱，具有很小的弹性模量，但相对变形量很大；而金属的弹性模量则介于陶瓷和高分子橡胶之间。 金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的指标，其大小主要取决于原子间的结合力，与金属的本性、晶格类型、晶格常数有关，而金属材料的合金化、加工过程及热处理的方法对它的影响很小。 单晶体的弹性模量呈各向异性：沿原子排列最密的晶向弹性模量最大。 多晶体的

7、弹性模量E呈伪各向同性。,弹性变形的特征和弹性模量,轴向应变： a =l / l0,式中，为材料泊松比，表示侧向收缩能力。一般金属材料的泊松比在0.250.35之间，高分子材料则相对较大些。,横向应变： t =d / d0,弹性变形的特征和弹性模量,弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：,一个圆柱形钢材试样受到的应力为100Mpa。试样未变形时直径为10mm，长度为40mm；试样变形后的长度和直径分别为40.019mm和9.9986mm。假定此时试样仍然是弹性的，试计算这种钢的弹性模量、切变弹性模量和泊松比。,（这个例子说明各向同性材料的三个弹性指标能够通过测量圆柱试样的长度和直径的变化来确定。

8、）,弹性变形的特征和弹性模量,压痕法测量弹性模量（CSM微纳米力学性能测试系统）：,力位移曲线,5.2 晶体的塑性变形,5.2.1 单晶体的塑性变形,1滑移 （1）滑移的观察 滑移线与滑移带,在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,滑移线：试样表面那些相互平行或交 叉的细线。 滑移带：多根滑移线构成一条滑移带。 通常把光镜下看到的条纹叫滑移带； 在电镜下看到的称为滑移线。 由于晶体各部分的相对滑动，造成试 样表面有许多台阶。 在切外力作用下，晶体的一部分相对 于另一部分沿一定晶面(滑移面)和晶 向(滑移方向)发生相

9、对位移。,滑移线,滑移带,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,（2）滑移系 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,滑移系：一个滑移面 和其上的一个滑移方 向组成一个滑移系。 滑移系数：滑移面数 滑移面上的滑移方 向数。,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移系,bcc: 110 6 2 = 12（常温） fcc: 111 4 3 = 12 hcp: 0001 1 3 = 3,滑移系（滑移系数相同时滑移方向）,塑性 面心立方 体心立方 密排立方,5.2.1 单晶体的塑性

10、变形滑移系,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,（3）滑移的临界分切应力 在给定滑移系上开始滑移所需的分切应力,外力在滑移面上沿滑移方向的分 切应力：,当外力F，使某一滑移系上的分切应力 达到某一临界值k ，滑移就会在该滑移 系上进行，此时：F/A =s（屈服极限）,滑移方向,施密特定律,单晶体的塑性变形滑移的临界分切应力,影响k的因素：材料的本性（纯 度）、试验温度、加载速度。 coscos取向因子 软位向：=45,=45 当滑移面法线、滑移方向、外力轴,处于同一平面，且=45，=45时 取 向因子有最大值0.5，此时s最小，最有利于滑移。 硬位向：=90或=90 当滑移面外力（=90）或滑移

11、方向外力（=90） 时，取向因子coscos=0，s=，滑移无法进行。,单晶体的塑性变形滑移的临界分切应力,提示：对立方晶系，两晶面（h1k1l1）与（h2k2l2） 的夹角为：,铝的滑移临界分切应力为2.4105Pa，当拉伸轴为001时，引起屈服所需要的拉伸应力是多大？,如在面心立方晶胞001上施加一69MPa的应力， 试求滑移系 上的分切应力。,提示：拉伸轴001与110及 垂直，所以由它们组成的滑 移不会开动。而001轴对它的滑移系的几何关系是等同。,单晶体的塑性变形滑移的临界分切应力,（2）新位错 ， 其滑移面为（001）,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,（4）滑移时晶面的转动,单晶

12、体的塑性变形滑移时晶面的转动,1,单晶体的塑性变形滑移时晶面的转动, 晶体在滑移过程中不仅滑移面发 生转动，而且滑移方向也在旋转。, 转动的结果，有时会使软位向偏向于硬位向， 滑移变困难“几何硬化”。 滑移前后晶体点阵类型不变，变形部分晶体 位向也不变。,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,（5）多系滑移,施密特定律的意义：晶体塑性变形时，切应力需达到某一临界值；说明滑移变形可有单滑移、多滑移和交滑移几种情况：,单滑移：一个滑移系启动， 滑移线是一组平行的细线。,单滑移,它是在变形量很小的情况下发生，位错在滑移过程中不会与其 他位错交互作用，因此加工硬化也很弱。,铝晶体的滑移,单晶体的塑性变形多

13、系滑移,多滑移：二个或二个以上滑移系同时或交替启动， 滑移线是相互交叉的平行细线；,多滑移,铝晶体的滑移,由于这些滑移系是由不同位向的滑移面与滑移方向构成，所以当一个滑移系启动后，另一滑移系的滑动就必须穿越前者，两个滑移系上的位错会有交互作用，产生交割和反应，因而多滑移会产生强的加工硬化。,单晶体的塑性变形多系滑移,如果没有交滑移，只增加外力，晶体是很难继续变形下去的，最后只会造成断裂。,交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上 沿同一滑移方向进行的滑移。 滑移线为波纹状,交滑移,单晶体的塑性变形滑移的临界分切应力,铜单晶体表面平行于（001）面，若晶体可以在各个滑移系滑移，画出表面出现的滑移线的

14、痕迹，求出滑移线间的角度。若铜晶体表面平行于（111）面，情况又如何？,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移, 位错学说的产生 塑性变形主要方式：滑移 1926年，弗兰克尔估算了 晶体滑移时需要的临界切应力理论 实际（假设原子作整体刚性滑动） 1934年，泰勒、波朗依和奥罗万几乎同时提出了晶体中位错的概念。,（6）滑移的位错机制,5.2.1 单晶体的塑性变形滑移,（6）滑移的位错机制 晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的。位错运动到晶体表面时，会产生台阶（滑移线、滑移带）,单晶体的塑性变形滑移的位错机制,晶体的滑移必须在一定的外

15、力作用下才能发生，这说明位 错的运动要克服阻力。位错运动的阻力首先来自点阵阻力。 由于派尔斯（Peierls）和纳巴罗（Nabarro）首先估算了这一阻力，故又称为派一纳（P-N）力。 P-N = 2G/(1-)exp(-2W/b) 式中，b为滑移方向上的原子间距，d为滑移面的面间距，为泊松比，W=d/(1-)代表位错宽度。,单晶体的塑性变形滑移的位错机制,位错运动的阻力除点阵阻力外，位错与位错的交互作用产生的阻力；运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产生的阻力，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。,5.2.1 单晶体的塑性变形,2孪生 孪生是塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移不易进 行时的补充。 产生孪生情况： 密排六方结构的金属：Mg、Cd、Be 变形温度低（面心立方、体心立方金属） 变形速度快（面心立方、体心立方金属）,单晶体的塑性变形 孪生,单晶体的塑性变形 孪生, 孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑 移受阻而引起的应力集中区，